橡膠顆粒對玻化微珠保溫砂漿基本性能的影響

蔣連接 朱方之 馬 靜 施 云 羅海艷 高 立

（宿遷學院建筑工程學院，宿遷223800）

0 引 言

在2019 年中國廢橡膠綜合利用行業高峰論壇上專家指出：隨著汽車保有量的持續增長，2018年我國產生了3.8億條廢舊輪胎，廢橡膠產生量約1 500 萬噸，較上年繼續攀升，解決廢橡膠產生的黑色污染，實現廢橡膠資源化循環利用，具有深遠的現實意義。橡膠顆粒是我國廢橡膠綜合利用的主要方式之一［1］。橡膠顆粒的堆積密度小、導熱系數低，作為輕骨料應用于保溫材料中，既可以提高保溫材料的保溫性能，減少建筑能耗，又可以提高廢橡膠的循環利用，減輕環境污染，具有廣闊的發展前景［2-5］。

玻化微珠保溫砂漿是一種常用于建筑物外墻和屋面工程中的保溫材料，在其中摻入適量的橡膠顆粒制備新型復合保溫砂漿可以拓寬廢橡膠的利用途徑。抗壓強度和導熱系數是玻化微珠保溫砂漿重要的性能指標，已有少數學者研究了橡膠顆粒摻量對上述指標的影響［6-7］。在此基礎上，本文先對橡膠顆粒表面進行改性處理，再將其摻入玻化微珠保溫砂漿中制備20 組復合保溫砂漿試塊，研究了橡膠顆粒摻量和粒徑對復合保溫砂漿抗壓強度和導熱系數的影響規律，為其推廣應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

采用以下試驗材料：上海舜安建材有限公司生產的玻化微珠保溫砂漿預拌干粉；宿遷興亞橡膠有限公司生產的（0.38～0.55）mm、（0.55～2.36）mm、（2.36～4）mm 三種細度的橡膠顆粒；東莞鼎海塑膠化工有限公司生產的硅烷偶聯劑KH-550改性劑；煙臺遠東精細化工有限公司生產的乙醇；自來水。

1.2 試塊設計

玻化微珠保溫砂漿的配合比由廠家提供，水灰比為0.8；橡膠顆粒摻量取預拌干粉質量的0、10%、20%、30%，橡膠顆粒粒徑范圍為（0.38～0.55）mm、（0.55～2.36）mm、（2.36～4）mm，分別用A、B、C 表示。設計10 組70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 復合保溫砂漿試塊，每組3 個，用CM-mn 表示，用于測定28 d 立方體抗壓強度；設計10 組300 mm×300 mm×30 mm 復合保溫砂漿試塊，每組2 個，用TM-mn 表示，用于測定28d 絕干狀態下的導熱系數。試塊分組詳見表1，其中CM 代表測定抗壓強度用試塊，TM 代表測定導熱系數用試塊，m代表橡膠顆粒粒徑，n代表橡膠顆粒摻量（%）。

表1 復合保溫砂漿試塊分組Table 1 Group of composite thermal insulation mortar samples

1.3 試塊制備

試塊制備前先對橡膠顆粒表面進行硅烷偶聯劑KH-550改性處理，以減小橡膠顆粒對試塊抗壓強度的不利影響。具體步驟如下：稱取1.5%橡膠顆粒質量的硅烷偶聯劑KH-550，按KH-550∶乙醇∶水=20%∶72%∶8%的比例混合、配制偶聯劑溶液，然后將橡膠顆粒與偶聯劑溶液充分攪拌均勻，最后放在陰涼處直至橡膠顆粒顆粒表面完全干燥［8］。

稱取各材料用量，向攪拌機中倒入預拌干粉和橡膠顆粒，干拌2 min，使橡膠顆粒在干粉中分散均勻，徐徐加入水，攪拌3 min，倒出均勻膏狀料漿，分別裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 和300 mm×300 mm×30 mm 模具中，振搗后用塑料薄膜覆蓋，放入養護室中進行養護。

1.4 試驗方法

養護28 d 后取出70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試塊，參照《建筑砂漿基本力學性能試驗方法標準》（JGJ∕T 70—2009）測定試塊的立方體抗壓強度。養護28 d 后取出300 mm×300 mm×30 mm 試塊，采用砂紙打磨試塊表面，保證試塊不平行度不超過試塊厚度的2%，每組兩個試塊的厚度差不超過2%；將試塊放入（105±5）℃烘箱中烘干至恒重，待試塊冷卻至室溫，參照《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定-熱流計法》（10295—2008）利用北京建通JTRG-III導熱系數測試儀測定絕干狀態下試塊的導熱系數。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

2.1.1 橡膠顆粒摻量對抗壓強度的影響

圖1 給出了橡膠顆粒摻量對復合保溫砂漿抗壓強度的影響規律。從圖1 可以看出，相比于未摻橡膠顆粒砂漿CM-0的抗壓強度3.49 MPa，摻入10%、20%、30%（0.38～0.55）mm 橡膠顆粒后砂漿CM-A10、CM-A20、CM-A30 的抗壓強度分別下降了30.7%、32.7%、49.3%，摻入10%、20%、30%（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒后砂漿CM-B10、CMB20、CM-B30 的抗壓強度分別下降了14.6%、19.8%、32.4%，摻入10%、20%、30%（2.36～4）mm橡膠顆粒后砂漿CM-C10、CM-C20、CM-C30 的抗壓強度分別下降了32.4%、46.1%、51.0%。以上數據表明：隨著橡膠顆粒摻量的增加，各組砂漿的抗壓強度均逐漸降低，且降低速度較為迅速；摻量10%時，砂漿CM-A10、CM-C10的抗壓強度已經下降約30%，摻量30%時，砂漿CM-A30、CM-C30 的抗壓強度甚至下降了約50%。因此，橡膠顆粒嚴重降低了砂漿的抗壓強度。

圖1 橡膠顆粒摻量對復合保溫砂漿抗壓強度的影響Fig.1 Effect of rubber particle content on compressive

橡膠顆粒導致砂漿抗壓強度降低的主要原因是［9-10］：橡膠顆粒具有較好的憎水性，無法與具有親水性的水泥基體產生良好的粘結，兩者之間形成了大量的薄弱界面，從而降低了砂漿的抗壓強度；橡膠顆粒具有較好的引氣性，在砂漿攪拌過程中容易包裹空氣，形成大量的孔隙，從而降低了砂漿的密實度和抗壓強度；橡膠顆粒具有較好的彈性，彈性模量比較小，受壓時其變形與其他材料不相協調，而且砂漿的橫向變形增大，從而加速砂漿內部微裂縫以及橡膠顆粒、水泥基體之間裂縫的發展，從而降低了砂漿的抗壓強度。上述三種不利影響隨著橡膠顆粒摻量的增加愈發顯著，導致砂漿的抗壓強度不斷下降。

橡膠顆粒表面雖然已經進行了KH-550 改性處理，但是砂漿的抗壓強度仍然產生了大幅度降低。因此，工程應用時仍需尋求更好的改性方式，以減小橡膠顆粒對砂漿抗壓強度的不利影響。

同時發現，在相同橡膠顆粒摻量的情況下，摻（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒砂漿的抗壓強度大于摻其他橡膠粒徑的砂漿，顯示出橡膠顆粒粒徑對砂漿抗壓強度也有一定的影響。以下將討論該問題。

2.1.2 橡膠顆粒粒徑對抗壓強度的影響

圖2 反映了橡膠顆粒粒徑與復合保溫砂漿抗壓強度的變化關系。對比各組砂漿的抗壓強度可知，當橡膠顆粒摻量相同時，隨著橡膠顆粒粒徑的增大，砂漿的抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢。與摻（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒砂漿CM-B 的抗壓強度相比，摻（0.38～0.55）mm 細橡膠顆粒砂漿CM-A10、CM-20、CM-A30 的抗壓強度分別僅為砂漿CM-B10、CM-B20、CM-B30 的81.2%、83.9%、75%，說明摻入的橡膠顆粒粒徑越大，砂漿的抗壓強度越高。但是當摻入更粗的（2.36～4）mm 橡膠顆粒時，砂漿CM-C 的抗壓強度相較于砂漿CM-B反而降低了，砂漿CM-C10、CM-C20、CM-C30 的抗壓強度分別約為砂漿CM-B10、CM-B20、CM-B30的79.2%、67.1%、72.5%。

究其原因，在橡膠顆粒摻量相同的情況下，橡膠顆粒粒徑越大，橡膠顆粒的表面積越小，與水泥基體的粘結薄弱界面越少，砂漿的抗壓強度越高；再者，橡膠顆粒粒徑越大，引氣作用不顯著，砂漿中的含氣量減少［11］，其抗壓強度也越高。因此，隨著橡膠顆粒粒徑的增大，砂漿的抗壓強度逐漸變大。但是，由于橡膠顆粒的彈性模量比較小，在相同壓力作用下，橡膠顆粒粒徑越大，其變形與其他材料越不協調，砂漿的橫向變形越大，砂漿內部微裂縫以及橡膠顆粒、水泥基體之間裂縫的發展越快，從而導致抗壓強度大幅下降。當橡膠顆粒粒徑增加到（2.36～4）mm 時，由橡膠顆粒彈性模量小導致抗壓強度降低的不利影響因素逐漸占據了主導作用，因此砂漿CM-C 的抗壓強度反而比砂漿CM-B有所降低。

圖2 橡膠顆粒粒徑對復合保溫砂漿抗壓強度的影響Fig.2 Effect of rubber particle size on compressive strength

2.2 導熱系數

2.2.1 橡膠顆粒摻量對導熱系數的影響

橡膠顆粒摻量對復合保溫砂漿導熱系數的影響如圖3 所示。無論摻加何種粒徑的橡膠顆粒，砂漿的導熱系數均隨橡膠顆粒摻量的增加而不斷減小。未摻橡膠顆粒砂漿TM-0 的導熱系數為0.115 W∕（m·K），摻入10%、20%、30%（0.38～0.55）mm 橡膠顆粒后砂漿TM-A10、TM-A20、TM-A30 的導熱系數均小于0.1 W∕（m·K），比砂漿TM-0 分別下降了15.7%、17.4%、20.0%；摻入10%、20%、30%（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒后砂漿TM-B10、TMB20、TM-B30的導熱系數比砂漿TM-0分別下降了5.2%、8.7%、13.9%；摻入10%、20%、30%（2.36～4）mm 橡膠顆粒后砂漿TM-C10、TM-C20、TM-C30 的導熱系數比砂漿TM-0 分別下降了2.6%、6.1%、12.2%。這說明橡膠顆粒有助于提高保溫砂漿的保溫性能，且橡膠顆粒摻量越大，砂漿的保溫性能越好。摻入橡膠顆粒后，砂漿導熱系數的下降幅度最大不超過20%，遠小于抗壓強度的下降幅度，因此橡膠顆粒摻量對抗壓強度的影響比對導熱系數的影響更顯著。

圖3 橡膠顆粒摻量對復合保溫砂漿導熱系數的影響Fig.3 Effect of rubber particle content on thermal coefficient

分析認為，復合保溫砂漿的導熱系數主要與砂漿內部的含氣量和孔隙結構有關。橡膠顆粒本身的導熱系數比較小，為（0.1～0.15）W∕（m·K）［7］，與未摻橡膠顆粒砂漿TM-0的導熱系數比較接近，對導熱系數的影響作用不大。但是，橡膠顆粒的摻入增大了砂漿中的含氣量，且隨著橡膠顆粒摻量的增加，引氣作用愈發明顯，含氣量呈上升的趨勢［11］，從而在砂漿中引入了更多細小、封閉的孔隙，減少了對流傳熱，從而有效地改善了砂漿的保溫性能。

2.2.2 橡膠顆粒粒徑對導熱系數的影響

橡膠顆粒粒徑對復合保溫砂漿導熱系數的影響規律見圖4。試驗數據表明，相同橡膠顆粒摻量時，隨著橡膠顆粒粒徑的增大，砂漿的導熱系數隨之增大，保溫性能不斷降低。當橡膠顆粒摻量為10%時，相比于砂漿TM-A10，砂漿TM-B10、TM-C10 的導熱系數分別增加了12.4%、15.5%；當橡膠顆粒摻量為20%時，相比于砂漿TM-A20，砂漿TM-B20、TM-C20 的導熱系數分別增加了10.5%、13.7%；當橡膠顆粒摻量為30%時，相比于砂漿TM-A30，砂漿TM-B30、TM-C30 的導熱系數分別增加了7.6%、9.8%。由此可見，摻細橡膠顆粒砂漿的保溫性能優于摻粗橡膠顆粒砂漿。這是因為在橡膠顆粒摻量相同的情況下，隨著橡膠顆粒粒徑的減小，橡膠顆粒的引氣作用越顯著，砂漿中的含氣量越多，更多細小、封閉的孔隙提高了砂漿的保溫性能。

2.3 應用建議

（2.36～4）mm 粗橡膠顆粒對復合保溫砂漿的抗壓強度、導熱系數均有較大的不利影響，配制保溫砂漿時不建議使用。

圖4 橡膠顆粒粒徑對復合保溫砂漿導熱系數的影響Fig.4 Effect of rubber particle size on thermal

（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒對復合保溫砂漿抗壓強度的不利影響最小，砂漿的抗壓強度幾乎均在2.5 MPa 以上，滿足《無機輕集料砂漿保溫系統技術規程》（JGJ 253—2011）中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型保溫砂漿抗壓強度的指標要求，但僅在橡膠摻量30%時導熱系數小于0.1 W∕（m·K）。建議使用（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒配制保溫砂漿時摻量宜控制在30%左右。

（0.38～0.55）mm 細橡膠顆粒對復合保溫砂漿保溫性能的改善效果最好，砂漿的導熱系數均小于0.1 W∕（m.K），滿足《無機輕集料砂漿保溫系統技術規程》（JGJ 253—2011）中Ⅲ型保溫砂漿的指標要求，但抗壓強度下降較多。建議使用（0.38～0.55）mm 細橡膠顆粒配制保溫砂漿時摻量宜控制在20%以下。

3 結 論

（1）無論摻何種粒徑的橡膠顆粒，隨著橡膠顆粒摻量的增加，復合保溫砂漿的抗壓強度顯著降低，導熱系數不斷減小，保溫性能隨之提高；橡膠顆粒摻量對抗壓強度的影響更加顯著。

（2）當橡膠顆粒摻量相同時，摻細橡膠顆粒砂漿的保溫性能優于摻粗橡膠顆粒砂漿，復合保溫砂漿的抗壓強度隨著橡膠顆粒粒徑的增大呈現先增大后減小的趨勢。

（3）配制復合保溫砂漿時不建議使用（2.36～4）mm 粗橡膠顆粒，使用（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒時宜將摻量控制在30%左右，使用（0.38～0.55）mm細橡膠顆粒時宜將摻量控制在20%以下。